高铁列车刹车片的研究现状与展望

高铁列车刹车片的研究现状与展望

学号ZS10050017 姓名成钰龙

摘要：介绍了国内外列车刹车片材料的发展历程和现阶段新型刹车片材料的发展状况，并且展望了以碳系复合材料为主要发展方向的未来高速化铁路的新型刹车材料概况。

关键词：高速铁路；刹车片；粉末冶金；C/C复合摩擦材料；高磨合成材料

0 引言

在当今时代，火车、汽车、城轨等已毫无例外地成为人类陆地客货运输无可替代的现代化工具，在社会生活中发挥着举足轻重的作用，并在可以预见的未来相当长的时间内，车辆工业仍将是国民经济重要的支柱产业，人类对车辆的要求越来越高，如高速、重载、安全可靠、乘坐舒适、操作方便、低能耗、无公害、轻量化等，车辆工业相应呈现出蓬勃的多元发展态势。

长期以来，我国列车一直在低速状态下运行，而铁路的高速化程度是评判国家交通发达与否的一个重要标志，早在20世纪90年代中期，日、法、德等国就已经开通了最高时速达300km/h的高速铁路，而我国从1997年4月1日到2007年4月1日共进行了6次大提速，普通动车时速已经达到160~200km/h。随着2008年6月京津城际高铁的开通，我国高铁最高时速已经超过350km/h。而今年设计时速380km/h的京沪高铁的完工标志着我国高速铁路已经走在世界的前列，为此国家在“十一五”计划纲要中指出，要逐步实现客运专线的高速化，普通动车时速要提高到200～300km/h，高速铁路最，高时速应大于350km/h[1]。

随着我国高速铁路的快速发展，其各项性能要求也相应的提高，尤其对制动性能提出了更严格的要求，这是因为列车的制动功率与车速呈3次方关系[2]，也就是说，列车速度提高1倍，制动功率则需增加8倍。目前列车的紧急制动主要是依靠车辆制动系统中的制动盘和刹车片摩擦副的摩擦实现的，而制动系统中刹车片的性能好坏对列车制动效果有着非常大的影响，因此，对其性能提出了更加严格的要求。铁路车辆制动系统中刹车片的发展是随着铁路的发展而发展的，在其制动材料的研究和应用方面经历了一个漫长的发展过程。盘式制动器制动刹车片经历了合成刹车片到粉末冶金刹车片的发展历程，随着铁路列车向着高速和重

载方向的发展，制动材料需要同时满足以下几个方面的性能要求：①较高摩擦力及优良的耐磨性能；②足够的抗冲击强度；③导热性好；④不受气候影响、摩擦系数稳定；⑤一定的经济性；⑥便于成型和实现轻量化。因此，世界各国的研究人员对高性能高速铁路刹车片材料的研究也在不断的深入，并在碳纤维复合材料及陶瓷复合材料等新型材料上取得了一定的成绩。

１国内外刹车片材料的发展

1.1 国外刹车片材料的发展

日本是高速铁路发展最为迅速的国家，日本东海道新干线在1964年10月1日正式开通了世界上第一条高速铁路，列车运行速度达到了210km/h。目前，日本高铁稳定运行速度是300km/h，随着列车的高速化，其制动系统中刹车片材料的研究与应用也进入了一个新时期。

日本高铁的刹车片材料经历了由合成材料，粉末冶金材料到碳纤维材料的过程。合成材料在高铁早期被广泛使用，但是合成刹车片在250℃高温下，磨损迅速增加的弱点使其只能在180～200km/h以下的高铁上使用[3]。随着列车速度的提升，合成刹车片已经不能满足其技术要求，随后日本开始开发粉末冶金刹车材料。由于粉末冶金刹车材料的使用温度较高，当制动单元体积温度达到500℃以上，闪点温度达到1000℃左右的时候，粉末冶金刹车片仍能保持良好的刹车性能，适用温度比合成材料提高，相应的适用速度、冲击韧性也较合成材料有了一定的提高[4-5]，因此粉末冶金刹车材料慢慢的替代了合成材料。

继日本之后，欧美各国也竞相发展高速铁路，其中法国的TGA，德国的ICE，和西班牙的AVE都是最具代表性的高速铁路。这些国家的高铁目前所使用的制动闸片主要为粉末冶金刹车片[6]。但是作为航空业潜在竞争对手的高速铁路，人们对其速度和效率的要求也在不断提高，在这种情形下，有必要开发一种耐高温、质量轻的新型刹车材料，而目前各个发达国家不断深入研究的碳纤维复合材料和陶瓷复合材料是一种较为理想的高速铁路刹车材料。

1.2 国内刹车片材料的发展

我国从20世纪50年代末开始发展电气化铁路以来，列车长期处于低速状态下运营，车辆制动器主要采用铸铁刹车片踏面制动方式。改革开放以来，随着我国铁路运行速度不断的提高，刹车片踏面制动方式已不能满足性能要求，在客运

列车上开始采用盘形制动方式，早期在25.5m，空调双客和160km/h的准高速铁路上采用了盘形制动合成刹车片[7]。

1994年，中国第一条准高速铁路广深铁路建设成功并投入运营，其旅客列车速度为160～200km/h，已成为中国铁路高速化的起点。其最高时速为210km/h 左右，由于合成刹车片磨损量大，机械强度较低，冲击韧性较差，并且在运行中会出现微裂纹，特别是在雨季和潮湿地区，因潮湿而导致摩擦力减小，导致其使用寿命降低[8]。为了更好的适应我国的运行环境，随后的广深高铁采用了导热性能好、摩擦系数稳定的粉末冶金刹车片，避免了合成刹车片实际应用中的缺陷，使得高铁的制动效率和安全系数得到很大的提高。但是这一时期的粉末冶金刹车片还主要依靠进口，在一定程度上制约了我国高铁的发展，为了降低高铁的制动系统成本，我国开始自主研制高铁用粉末冶金刹车片。此后，在国内京津高铁上国产粉末冶金刹车片被广泛应用。

综上所述，国内外刹车片材料的发展主要经历了金属材料、合成材料、粉末冶金材料等几类，表1列出了其主要材料类型及性能指标。

表１刹车片主要材料类型及性能比较[9]

随着科技的进步，高速铁路的速度得到不断提高，其刹车制动装置的使用条件也越来越苛刻，人们对其性能要求也在不断提高，这要求刹车制动装置要在短时间使得高铁停下来。这会使高铁巨大的动能转化成制动刹车片的摩擦热能，摩擦副表面温度会急剧上升，这样会影响到摩擦材料的摩擦系数，使得高铁的安全性、可靠性降低。因此，为了满足高速铁路的综合技术指标，这就需要不断的探讨和开发出高性能的刹车材料。

２新型刹车片材料的研究

2.1 复合型刹车片

为了满足未来高速铁路的制动技术要求，国内外科研工作者都在努力研制开